DE1303125C2 - Verfahren und einrichtung zur messung von kurzschlusstroemen oder impedanzen in elektrischen anlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren samt Einrichtung zur Messung von Kurzschlußströmen oder Impedanzen in elektrischen Anlagen, bei dem

6 ein vollkommener Kurzschluß willkürlich eingeschaltet und selbsttätig nach einer von der Betätigungsdauer und von der Kurzschlußstramstärke unabhängigen, begrenzten Kurzzeit abgeschaltet wird.

In elektrischen Niederspannungsanlagen, in denen als Schutzmaßnahme die Nullung, die Schutzerdung oder das Schutzleitungssystem angewandt wird, müssen gemäß VDE 0100 die Mindestströme bekannt sein, die im Kurzschlußfall die vorgeschalteten Siehe rungen zum Abschalten bringen. Oft es in verzweigten Anlagen nicht von vornherein zu übersehen, für welchen Kurzschlußpunkt sich die größte Schleifenimpedanz und damit der kleinste Kurzschlußstrom er gibt. So muß z.B. bei der bevorzugt angewandten Schutzmaßnahme »Nullung« oft für mehrere Punkte der Anlage die HöJbe des Kurzschlußstromes be stimmt werden, um nach dem minimalen Kurzschluß strom den maximalen Nennstrom der davorliegenden Sicherung zu bestimmen.

Netzimpedanzen und Kurzschlußströme können durch Rechnung oder Messung im Netz ermittelt wer den. Leitsätze für die Berechnung enthält VDE 0102. Teil 1 (für Hochspannungsanlagen) und Teil 2 (für Niederspannungsanlagen). In Niederspannungsanlagen dürfte häufiger als in Hochspannungsanlagen die Not wendigkeit bestehen. Impedanzen und Kurzschluß ströme zu bestimmen. Die Schwierigkeit der Berech nung liegt nicht so sehr im Rechengang selbst, als in der Ermittlung der erforderlichen Rechengrößen wobei unter Umständen im übergeordneten Hochvolt netz zu beginnen ist. Bei Änderungen in den Netzen müssen demaach auch die Netzpläne stets auf dem Laufenden gehalten werden. Der Einfluß der Nulleiter vermaschung ist rechnerisch schwer zu erfassen. Schließlich werden schlechte Kontaktstellen bei der Berechnung des Kurzschlußstromes nicht erfaßt. All das gilt auch, wenn — insbesondere bei vermaschten Netzen - Kurzschlußströme und Impedanzen am Netzmodell gemessen werden. Man umgeht deshalb diese Schwierigkeiten gerne dadurch, daß man in Orts- oJer Industrienetzen an den interessierenden Stellen die gesuchten Werte durch Messung ohne Be triebsunterbrechung ermittelt.

Die Geräte, die bisher für diese Messungen verwen det werden (siehe VDE 0100), belasten am Meßort die elektrische Anlage mit einem Widerstand. Aus der Differenz der Spannungswerte vor und bei BeIa stung wird dann der Kurzschlußstrom bzw. die vorge schaltete Impedanz ermittelt. Dabei ist vorausgesetzt, daß der Belastungsimpedanzwinkel etwa mit dem Lei tungsimpedanzwinkel übereinstimmt. Bei Belastung mit einem rein ohmschen Widerstand ist diese Vor - setzung für Installationsanlagen, für Kabelnetze und für Freileitungsnetze mit kleinem Querschnitt ausreichend erfüllt. Mit wachsendem Querschnitt der Freileitungen (und damit wachsendem Leitungsimpedanzwinkel) wächst auch der bei Ermittlung des Kurzschlußstromes positive bzw. bei Ermittlung der Netzimpedanz negative Fehler. Wie Berechnungen und Messungen gezeigt haben, kann dieser Fehler bei den heute in Ortsnetzen üblichen stärkeren Freileitungsquerschnitten So groß werden, daß er die Brauchbarkeit von Messungen bei rein ohmscher Belastung in Frage stellt. Um diese Fehler zu vermeiden, müßte man bei solchen Messungen das Netz am Meüort mit einem Scheinwiderstand belasten, dessen Impedanzwinkel dem des vorgeschalteten Leistungsnetzes anzupassen wäre. Praktisch wäre dies nur in

einheitlichen Netzen durchführbar. In gemischten Net zen, das heißt solchen mit Kabel- und Freileitungsstrecken, mit wechselndem Querschnitt und Leitungsmaterial, dürfte der Impedanz winkel an verschiedenen Stellen des Netzes kaum bekannt, seine Berechnung aber sehr umständlich sein. Man ist deshalb vereinzelt dazu übergegangen, nacheinander das Netz am Meßort mit einem ohmschen und einem induktiven Widerstand zu belasten und für beide Belastungen die Spannungsänderung festzustellen. Für dieses Meßwer tepaar ist dann aus einem zugehörigen Diagramm der gesuchte Kurzschlußstrom zu entnehmen.

Die Art der Vorbelastung des Netzes (z.B. gleichmäßig verteilte Belastung oder Belastung am Ende der Leitung) kann schließlich noch durch Kor rekturfaktoren berücksichtigt werden. Die Vernachlässigung gleichbleibender Netzbelastucjen während der Messungen hat nur geringen Einfluß auf die Genauig keit des Meßergebnisses.

Schwankt jedoch die Netzbelastung während der Messung, so bedeutet dies, daß sich der Meßbela stung mit dem Gerätewiderstand im Netz noch zusätzliche, nicht vorhersehbare Belastungen oder auch Entlastungen derselben Größenordnung überlagern können. So könnte z. B. an der gleichen Netzleitung angeschlossene Arbeitsmaschinen von gewerblichen oder landwirtschaftlichen Betrieben mit ungleichförmi ger Belastung, taktende Automatikplatten von Elek troherden (2kW) u.a. das Meßergebnis entsprechend stark beeinflussen. Zur Sicherheit werden deshalb solche Messungen einmal oder mehrmals wiederholt, um aus den Mittelwerten der Spannungsänderungen sowohl bei ohmscher als auch bei induktiver Belastung — nötigenfalls nach Ausscheiden von »Ausrei ßern« - den Kurzschlußstrom am Meßort (oder die davorliegende Netzimpedanz) dem vorerwähnten Dia gramm zu entnehmen. Das ganze wiederholt sich dann für die beiden anderen Außenleiter, um aus den Abweichungen zwischen den drei Mittelwerten schlechte Kontaktstellen (lockere oder korrodierte Klemmen usw.) erkennen zu können. Bei »unruhiger« Netzbelastung ist man unter Umständen gezwungen, die Messungen zu unterbrechen und zu geeigneter Zeit fortzusetzen.

Mit Rücksicht auf die Erwärmung des Gerätewider Standes sollte seine für die Messung erforderliche Ein schaltdauer auf die Mindestzeit beschränkt werden, die eben noch für die Ablesung des Zeigerinstrumen tes benötigt wird. Hat sich der Gerätehersteller mit einem Belastungswiderstand kleiner Leistung begnügt. so wird — insbesondere an leistungsstarken Netzpunk ten — die Spannungsänderung und damit die Meßgc nauigkeit entsprechend gering sein. Das gilt auch bei Verwendung einer »Voltlupe«, die ia auch die unge wollten Spannungsschwankungen genauso mitvergrö ßert. Ist aber das Gerät mit einem Belastungswidcr stand großer Leistung bestückt, so werden bei der obenerwähnten Wiederholung der Messungen (z.B. dreimal 3 Messungen) beträchtliche elektrische Energien in Wärme umgesetzt. Das erfordert entweder häufige Abkühlungspausen oder ein Kühlgebläse im Gerät.

Es ist bekannt, daß man die vorstehend erwähnten Schwierigkeiten des indirekten Meßverfahrens umgc hen könnte, wenn man den Ohmwert des Belastungs Widerstandes gegen Null gehen läßt, das heißt zum vollkommenen Kurzschluß am Meßort übergeht.

Die in der Meßeinrichtung in Wärme umgesetzte Leistung geht damit ebenfalls gegen Null, der Impedanzwinkel des Belastungswiderstandes wird gegenstandslos, ebenso die während des Kurzschlusses im Nebenschluß dazu liegende schwankende Netzbelastung. Der Kurzschlußstrom kann dann unmittelbar an einem (über Stromwandler angeschlossenen) Strommesser abgelesen werden.

Bei diesem direkten Meßverfahren treten aber dafür andere Schwierigkeiten auf:

ίο 1. Im genullten Netz darf zwischen Nulleiter und Erde keine höhere Spannung als 65 Volt »bestehen bleiben«. Da bei Kurzschlüssen diese Grenze zuweilen überschritten wird, sollte dieser Zustand nicht sekundenlang bis zur Ablesung des Meßwertes anj dauern.

2. Schlechte Kontaktstellen (welche durch Vergleich der Meßwerte ebenfalls erkannt werden sollen) können in wenigen Sekunden vollends zerstört werden.

3. Ebenso können in dieser Zeit — je nach Höhe des Kurzschlußstromes — die vorgeschalteten Netzsicherunge;i bereits ansprechen.

4. Spannungseinbrüche bei Kurzschlüssen, die Sekunden dauern, werden — insbesondere im Wiederho-Iungsfalle — von den Abnehmern als störend empfunden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine direkte Kurzschluß-Methode anzuwenden, die einerseits frei ist von den Nachteilen der indirekten Methode, die andererseits aber auch die vorstehend unter Ziffer 1 bis 4 genannten Schwierigkeiten nicht mehr zur Auswirkung kommen läßt. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zur Messung von Kurzschlußströmen oder Impedanzen in elektrischen

Anlagen ein vollkommener Kurzschluß willkürlich eingeschaltet und selbsttätig nach einer von der Betätigungsdauer und von der Kurzschlußstromstärke unabhängigen, begrenzten Kurzzeit abgeschaltet wird, wobei erfindungsgemäß die Zeitdauer der fest eingestellten Kurzschlußzeit höchstens 0,2 Sekunden beträgt, und nach dem Einschalten des Kurzschlusses der Beginn der Messung derart verzögert erfolgt, daß ein zu Beginn des Kurzschlusses möglicherweise auftretendes Gleichstromglied die Messung nicht beeinflußt.

In Weiterbildung der Erfindung wird in einer Einrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens der Kurzschlußstrom-Meßwert verzögert einem Meßwertspeicher mit einer der Kurzschlußdauer entsprechend kleinen Eingangszeitkonstanten zugeführt und vom Meßwertspeicher nach dem Kurzschluß mit einer der Ablesedauer entsprechend großen Ausgangszeitkon stanten der Anzeigeeinrichtung zugeführt.

Ferner wird in einer Weiterbildung der Erfindung der Strom zum Betrieb der Meßeinrichtung während des Kurzschlusses einem eingebauten, vor dem Spannungszusammenbruch aufgeladenen Speicher (z. B. einem Kondensator) entnommen.

Eine andere Möglichkeit zur Feststellung der Höhe

(,o des Kurzschlußstromes nach Beendigung des Kurzschlusses besteht bei einer anderen Weiterbildung der Erfindung darin, daß in der Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens der Kurzschlußstrom-Meßwert mit einem vor der Messung eingestellten Vergleichs-

M wert in an sich bekannter Weise verglichen und eine Überschreitung/Unterschreitung des eingestellten Vergleichswertes durch Ja/Nein-Anzeige kenntlich gemacht wird.

Eine weitere Möglichkeit zur Feststellung der Höhe des Kurzschlußstromes nach Beendigung des Kurzschlusses besteht in einer Weiterbildung der Er findung darin, daß der Kurzschlußslrom-Meßwert einem Meßwerk mit der Kurzschlußdauer angepaßter Einstellzeit zugeführt wird, und der Meßwert durch stehenbleibende und rückstellbare Anzeige oder durch Schreiber für die Ablesung gespeichert wird.

In Weiterbildung der Erfindung dient zur Überprii füng und Eichung der Meßeinrichtung ein von einem ι ο eingebauten Impulsgeber gelieferter Eichimpuls.

In Weiterbildung der Erfindung sind zur Abschal tuhg des Meßkurzschlusscs innerhalb 0.2 Sekunden zwei voneinander unabhängige, /eitgestaffelte Auslöse und Schalteinrichtungen vorhanden, wobei die zweite π nur nach Versagen der ersten die Kurzschlußabschal tung übernimmt.

Femer kann in Weiterbildung der Erfindung der zur kürzer verzögerten Auslöseeinrichtung gehörige, stets für die Kurzschlußeinschaltung und normaler weise auch für die Kurzschlußausschaltung bestimmte Schalter erst eingeschaltet werden, nachdem der zur längerverzögerten Auslöseeinrichtung gehö rige Schutzschalter eingeschaltet wurde.

Die grundsätzliche Wirkungsweise der Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens gemäß der Erfindung zeigt Bild 1.

Die Anschlußklemmen der Einrichtung sind mit den beiden Leitern der Anlage verbunden, zwischen denen der Kurzschlußstrom gemessen werden soll, in genullten Drehstromnetzen. z.B." mit dem Nulleiter MP und einem der Außenleiter R. Mit dem Schalter S₁ mit Unterspannungsauslöser u < wird bei Betäti gung der Einrichtung die zu prüfende elektrische An lage kurzgeschlossen, wobei die Spannung an den Anschlußklemmen zusammenbricht. Über das Ver zögerungSgHed "K₁(Z. B. Kondensator mit Gleichrichter) wird der Spannungszusammenbruch am Unter Spannungsauslöser kurzverzögert. Schalter S₁ schaltet wieder ab. An der Bürde B des Stromwandlers W (Lochwandler mit durchgestecktem Leiter als Primär wicklung) entsteht eine dem Kurzschlußstrom propor tionalc Meßspannung, die über das Verzögerungsglied V_m dem elektronischen Meßwertspeichcr und Verstärker Sp_m und von dort dem Anzeigeinstrument A zugeführt wird. Zweck der Verzögerung in V_m ist. dem Meßwertspeicher Sp„, nur den Meßwert des reinen Kurzschlußwechselstromes zuzuführen, nachdem ein im Anfang des Kurzschlußstromes möglicherweise vorhandenes Gleichstromglied abgeklungen ist. Ό

Die Zeitkonstante im Eingang des Speichers Sp_m ist - dem Kurzzeitmeßwert entsprechend - sehr klein (z.B. 5ms). die Ausgangszeitkonstante des Speichers Sp_m zum Anzeigeinstrument A hin ist dagegen so groß (z.B. 500s), daß der angezeigte Meßwert " noch nach mehreren Sekunden ohne merklichen Feh ler abgelesen werden kann. Der Meßwertspeicher Sp„ wird von dem Energiespeicher Sp₀ (z. B. Kondensator) versorgt, der vor dem bei Kurzschluß kai? zeitig eintretenden Spannungszusammenbruch aufgeladen <>n wird. Um die Betriebssicherheit der Einrichtung nach Bild 1 zu erhöhen, erfolgt eine Erweiterung gemäß Bild 2.

Der Spannungsmesser U zeigt die Spannung an zwischen den Leitern der elektrischen Anlage, an denen die Kurzschlußmessung vorgenommen werden soll. Er läßt also beispielsweise in einer genullten Drehstrom anlage (380/220 V) auch erkennen, wenn eine Anschlußklemme statt mit dem Nulleiter versehent lieh mit einem zweiten Außenleiter verbunden wurde. Dem Schalter 5, vorgeschaltet ist der Schutzschalter S₂, dessen Unterspannungsauslöser u < über das Ver zögerungsglied V₂ ausgelöst wird. Dessen Verzöge rungszeit (z.B. 0.15s) ist mit der Verzögerungszeit von V₁ (z.B. 0,1s) so gestaffelt, daß der Schutzschal ter S₂ den Kurzschluß nur dann ausschalten muß. wenn Schalter S₁ versagt hat. Mit dem Einschalten von S₂ wird die Einrichtung einschließlich S₁ betriebs bereit gemacht, was durch die Glimmlampe L angc zeigt wird. Schutzschalter S, kann also keinesfalls den Kurzschluß einschalten.

Beide Schalter Sj und S₂ lassen sich nur einschal ten, wenn ihre Unterspannungsauslöser samt den zugehörigen Verzögerungsgliedern V₁ und V₇ funk tionsfähig sind. Damit sind in der Zeitdauer unkon trollierte Meßkurzschlüsse von vornherein ausgc schlossen.

Die Bürde B ist jetzt unterteilt, um mit einem Um schalter zwei oder mehr Meßbereiche wählen 711 kön nen. Der Meßwertspeicher mit Verstärker Sp_m wirkt in der Weise begrenzend, daß zu niedere Meßbereich einstellungen auch bei sehr hohen Kurzschlußströ men unschädlich sind.

Zur Kontrolle und Eichung des Meßteiles ein schließlich Anzeigeinstrument dient der Eichimpulsge ber E. Er erzeugt einen von der Netzspannung unab hängigen Eichimpuls, dessen Dauer und Amplitude einer Spannung an der Bürde ß für Skalenendwert des Anzeigeinstrumentes A entspricht. Beim Loslas sen der Eichtaste 7", wird die Eichanzeige des Anzei geinstrumentes durch den Löschkontakt LK, gc löscht. Ebenso wird durch den mit der Schalterwellc von S₁ mechanisch verbundenen Löschkontakt LK-, beim Loslassen des Schalterknebels die Anzeige des Kurzschlußstromes gelöscht. So kann, wenn ohne Abklemmen der Einrichtung von der elektrischen Anlage (wodurch die Anzeige sowieso gelöscht würde) nach einer Umschaltung in der Anlage weitergcrncsscn wer den soll, nie die vorangegangene, möglicherweise hö here Meßwertanzeige für die nächste Messung stehen bleiben. Mit dem Regler R₀ kann der Nullpunkt der Anzeigeschaltung, mit dem Regler R_r beim Eichen deren Endausschlag nachjustiert werden.

Die Einrichtung ist in einem schutzisolierten, sprit/ wassergeschützten Gehäuse aus schlagfestem Isolier stoff untergebracht. Die Schutzart »Isolierung« läßt (im Gegensatz zur »Nullung« des Gehäuses) ein Ver tauschen der Anschlußklemmen zu. Rückspannung während des Anklemmen* steht nur über den Span nungsmesser U an. dessen Strom aber unterhalb der Wahrnehmbarkehsgrenze liegt Das tragbare Gerät kann über Gummikabel an Freileitungen. Kabelvertei lerschränke. Hausanschlußkästen usw. angeschlossen werden. Das Meßergebnis kann unmittelbar nach Be tätigung des Schalters S, am Anzeigeinstrument A ab gelesen werden.

Hierzu ! Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung von Kurzschlußstro men oder Impedanzen in elektrischen Anlagen, bei dem ein vollkommener Kurzschluß willkürlich ein ' geschaltet und selbsttätig nach einer von der Betii tigungsdauer und von der Kurzschlußstromstärke unabhängigen, begrenzten Kurzzeit abgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer der festeingestellten Kurzsehlußzeit hochstens 0,2 Sekunden beträgt, und nach Einschalten des Kurzschlusses der Beginn der Messung derart verzögert erfolgt, daß ein zu Beginn des Kurzschlusses möglicherweise auftretendes Gleichstromglied die Messung nicht beeinflußt π

2. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschlußstrom-Meßwert verzögert einem Meßwertspeicher mit einer der Kurzschlußdauer entsprechend kleinen Eingangszeitkonstanten züge führt wird und vom Meßwertspeicher nach dem Kurzschluß mit einer der Ablesedauer entsprechend großen Ausgangszeitkonstanten der Anzeigeeinrichtung zugeführt wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Strom zum Betrieb der Meßeinrichtung während des Kurzschlusses einem eingebauten, vor dem Spannungszusammenbruch auf geladenen Speicher entnommen wird.

4. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschlußstrom-Meßwert mit einem vor der Messung eingestellten Vergleichswert in an sich bekannter Weise verglichen und eine Überschreitung/Unterschreitung des eingestellten Vergleichwertes durch Ja/Nein-Anzeige kenntlich gemacht wirX..

5. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschlußstrom-Meßwert einem Meßwerk mit der Kurzschlußdauer angepaßter Einstellzeit zugeführt wird und der Meßwert durch stehenblei bende und rückstellbare Anzeige oder durch Schreiber für die Ablesung gespeichert wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überprüfung und Eichung der Meßeinrichtung ein von einem eingebauten Impulsgeber gelieferter Eichimpuls dient.

7. Einrichtung nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abschaltung des Meß- so kurzschlusses innerhalb 0,2 Sekunden zwei vonein ander unabhängige, zeitgestaffelte Auslöse- und Schalteinrichtungen vorhanden sind, wobei die zweite nur nach Versagen der ersten die Kurzschlußabschaltung übernimmt.

8. Einrichtung nach Anspruch 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß uer zur kürzer verzögerten Auslöseeinrichtung gehörige, stets für die Kurzschlußeinschaltung und normalerweise auch für die Kurzschlußausschaltung bestimmte Schal _b0 ter erst eingeschaltet werden kann, nachdem zuvor der zur langer verzögerten Auslöseeinrichtung ge hörige Schutzschalter eingeschaltet wurde.